基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬交通卡應(yīng)用系統(tǒng)研究與設(shè)計*

方秋水，徐 鋒，陳衛(wèi)國

(廣東嶺南通股份有限公司，廣東 廣州 510110)

0 引言

近年來隨著“比特幣”在全世界范圍內(nèi)的興起，“比特幣”受到各國用戶的追捧，越來越多大公司、政府組織對“比特幣”所使用的區(qū)塊鏈(Blockchain)技術(shù)進(jìn)行深入的探索和研究[1]。區(qū)塊鏈技術(shù)因其去中心化和防篡改等特點被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是一種最新且最具顛覆性的技術(shù)；同時，技術(shù)專家預(yù)測，區(qū)塊鏈技術(shù)將與移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)一起掀起第四次產(chǎn)業(yè)革命[2]。

當(dāng)前，國內(nèi)的城市一卡通主要使用實體卡作為交易介質(zhì)，向卡片使用者提供公共交通、小額支付、電子票據(jù)等非現(xiàn)金支付應(yīng)用。但隨著近幾年智能手機(jī)終端的普及、移動網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，移動支付的受眾群體已越來越廣泛，很多用戶在日常生活中已習(xí)慣于使用手機(jī)支付等方式進(jìn)行小額消費。為了順應(yīng)客戶群體的使用習(xí)慣及滿足用戶的便利需求，通卡公司發(fā)行支持移動支付的虛擬卡需求也越來越迫切。通卡公司需要考慮如何開展虛擬卡的發(fā)行、消費結(jié)算等業(yè)務(wù)，特別是虛擬卡在安全性、結(jié)算、交易速度等核心業(yè)務(wù)方面的保障，以及虛擬卡應(yīng)用建設(shè)等，這些都需要使用新技術(shù)、新方案來進(jìn)行解決。

1 課題背景分析

由于虛擬卡是針對持卡用戶發(fā)行的城市通卡，其涉及線下服務(wù)、商品買賣的支付場景，公共交通服務(wù)是其中核心的消費場景。支付場景決定交易時間必須高效完成。另一方面，考慮到目前虛擬卡的主要交易方是城市一卡通公司、公共交通服務(wù)商、大型商戶等，這些參與方都是虛擬卡業(yè)務(wù)的堅實基礎(chǔ)以及受益方，同時這些單位、組織、公司具有較高的可信度，同時具備大型的信息系統(tǒng)、交易系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)處理能力。因此一卡通應(yīng)用系統(tǒng)可采用聯(lián)盟鏈的方式進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計實施。通卡公司作為卡片發(fā)行方，對卡片及用戶進(jìn)行管理。通卡公司、公共交通服務(wù)提供商、大型商戶作為聯(lián)盟成員，負(fù)責(zé)對虛擬卡的各種交易進(jìn)行記賬和確認(rèn)。小型商戶以及持卡用戶作為使用者參與消費。在虛擬卡的生命周期中，最核心的是資金的流轉(zhuǎn)?？梢哉f，虛擬卡的生命周期其實就是資金在通卡公司、服務(wù)提供商、商戶以及消費者之間的轉(zhuǎn)移過程。虛擬卡的資金流向如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1 虛擬卡的資金流向

2 Hyperledger Fabric技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是將單個數(shù)據(jù)區(qū)塊以時間為序相連的組合方式。而Hyperledger Fabric技術(shù)是由The Linux Foundation主辦的Hyperledger項目之一。該技術(shù)作為開發(fā)模塊化體系結(jié)構(gòu)的區(qū)塊鏈應(yīng)用程序基礎(chǔ)，以便諸如共識和會員服務(wù)等組件可以即插即用。它使用容器技術(shù)來托管構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)用邏輯的智能合約(也稱為鏈代碼)。簡而言之，Hyperledger Fabric是為企業(yè)構(gòu)建的領(lǐng)先的開源、通用區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)[3-5]。以Hyperledger白皮書為基礎(chǔ)依據(jù)，Hyperledger涉及到的超級賬本內(nèi)容包括了區(qū)塊鏈(Blockchain)、鏈碼(Chaincode)、成員權(quán)限管理(Membership)三大組件[6-9]。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)自下而上可劃分為4個層次，分別是接口層、業(yè)務(wù)層、集成層、視窗層，如圖2所示。

3.1.1接口層

接口層是指基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用系統(tǒng)與所有外部系統(tǒng)的接口。其中應(yīng)用系統(tǒng)所對接的基礎(chǔ)設(shè)施主要是核心交易區(qū)塊鏈系統(tǒng)，接口層可分為用戶管理接口、交易接口、數(shù)據(jù)查詢接口、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)管理接口等4類業(yè)務(wù)類型接口。

3.1.2業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層包括了系統(tǒng)功能子系統(tǒng)，集中、直觀地體現(xiàn)虛擬交通卡區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各項業(yè)務(wù)功能。分別為用戶注冊、用戶登錄、區(qū)塊鏈賬戶的相關(guān)業(yè)務(wù)、系統(tǒng)管理。

3.1.3集成層

基于系統(tǒng)功能層規(guī)劃出集成各個子系統(tǒng)所需的系統(tǒng)功能即集成層，主要分為頁面集成和數(shù)據(jù)處理集成。

3.1.4視窗層

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用系統(tǒng)的視窗層是與用戶直接接觸的，一是可以顯示數(shù)據(jù)，二是為了接收用戶所輸入的數(shù)據(jù)，可以為用戶提供便于操作的交互式界面。視窗層主要分為虛擬交通一卡通APP視窗和后臺視窗。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

核心組件層包含了應(yīng)用數(shù)據(jù)庫和基于IBM開源的Hyperledger Fabric區(qū)塊鏈兩個組件。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫存儲的主要是應(yīng)用相關(guān)信息。區(qū)塊鏈層采用鍵值對數(shù)據(jù)庫，存儲區(qū)塊鏈相關(guān)數(shù)據(jù)[10-11]。

應(yīng)用服務(wù)層既包含使用RESTful、socket/ws接口、JDBC等持久化技術(shù)的J2EE Web應(yīng)用，也包含數(shù)據(jù)庫訪問組件。

圖3 技術(shù)架構(gòu)圖

客戶端是為了用戶能夠使用瀏覽器、手機(jī)兩種途徑進(jìn)行系統(tǒng)交互而設(shè)計的，其中表現(xiàn)層與業(yè)務(wù)邏輯層通過HTTP/HTML協(xié)議進(jìn)行交互，而移動客戶端可通過socket接口進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

3.3 功能架構(gòu)

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用系統(tǒng)在功能上主要分為前臺管理和后臺處理兩大塊功能模板，如圖4所示。

圖4 功能結(jié)構(gòu)圖

前臺管理功能主要是基于Web界面展示的虛擬交通一卡通操作和查詢功能，包括用戶管理、虛擬卡管理、查詢管理和系統(tǒng)管理等4大模塊。

后臺處理功能是針對虛擬交通一卡通用戶管理、充值、消費等業(yè)務(wù)進(jìn)行后臺運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計匯總，以供統(tǒng)計查詢。另外，借助區(qū)塊鏈天然的抗抵賴特性，能夠保證虛擬交通一卡通的交易發(fā)生滯后不會被篡改，所以清分結(jié)算可以由計算機(jī)自動化完成，達(dá)到了實時清分結(jié)算的目的。

前臺管理功能和后臺處理功能的實現(xiàn)依賴于底層搭建的Hyperledger Fabric支撐平臺，而該支撐平臺是根據(jù)虛擬交通一卡通業(yè)務(wù)的需要在系統(tǒng)上進(jìn)行搭建的。

3.4 數(shù)據(jù)流程架構(gòu)

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)主要是對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的靜態(tài)及動態(tài)進(jìn)行說明，靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是將系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)存儲位置分為兩類，動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指主要的數(shù)據(jù)流程圖，將虛擬交通一卡通業(yè)務(wù)過程中所處理的輸入、輸出以數(shù)據(jù)流的方式進(jìn)行有機(jī)集成，形成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程圖。

3.4.1靜態(tài)數(shù)據(jù)架構(gòu)

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)可分為兩類，如圖5所示。

圖5 靜態(tài)數(shù)據(jù)架構(gòu)

(1)虛擬交通一卡通應(yīng)用數(shù)據(jù)包括了用戶信息、發(fā)卡數(shù)據(jù)、兌換記錄、充值數(shù)據(jù)、消費記錄、日志數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈節(jié)點數(shù)據(jù)等；

(2)虛擬交通一卡通區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括賬戶數(shù)據(jù)和歷史記錄兩部分。

3.4.2動態(tài)數(shù)據(jù)架構(gòu)

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應(yīng)用系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)架如圖6所示。

圖6 動態(tài)數(shù)據(jù)架構(gòu)

(1)APP發(fā)送注冊、充值、兌換請求到虛擬交通一卡通服務(wù)平臺，服務(wù)平臺會通過用戶驗證、注冊處理、充值處理、兌換處理來完成對請求數(shù)據(jù)的消費，其中各種需要記錄的數(shù)據(jù)會提交到應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，需要區(qū)塊鏈服務(wù)平臺進(jìn)一步處理的數(shù)據(jù)會發(fā)往區(qū)塊鏈服務(wù)平臺進(jìn)行處理。

(2)APP會將消費請求發(fā)往最近的區(qū)塊鏈服務(wù)平臺進(jìn)行處理，區(qū)塊鏈服務(wù)平臺將處理好需要保留的數(shù)據(jù)并存儲到其分布式數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)具有分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機(jī)制、加密算法、去中心化等優(yōu)點。通過區(qū)塊鏈技術(shù)解決公交一卡通虛擬卡的發(fā)行及交易問題，結(jié)合新的技術(shù)提供全新的公交一卡通解決方案。采用區(qū)塊鏈將通卡公司、公共交通服務(wù)提供商、大型商戶等企業(yè)內(nèi)的信息化治理提升到企業(yè)間的信息化治理，為數(shù)字資產(chǎn)跨企業(yè)間交易實現(xiàn)提供了技術(shù)保障。